Das Projekt "3.3.6 Filmkühlung auf rauen Oberflächen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Thermische Strömungsmaschinen durchgeführt. Die Auslegung der Filmkühlung von Turbinenschaufeln findet i.d.R. für hydr. glatte Oberflächen statt. Im Betrieb stellt sich mit zunehmender Einsatzdauer durch Erosion, Korrosion und Partikelablagerung eine raue Oberfläche ein. Studien an rein konvektiv gekühlten Schaufeln zeigen einen drastischen Anstieg des äußeren Wärmeübergangs bei Rauigkeit. Bisher sind keine Studien bekannt, die die Bestimmung von Filmkühleffektivität und Wärmeübergang stromab konturierter Filmkühlbohrungen unter Berücksichtigung von Rauigkeit zum Ziel haben. In diesem Vorhaben soll deshalb der Einfluss von Oberflächenrauigkeit auf den lokalen Wärmeübergang und die lokale Filmkühleffektivität an einer filmgekühlten Oberfläche untersucht werden. Hierbei sollen die realen Zustände in einer Gasturbine abbildenden aerodynamische und thermische Randbedingungen bei den Versuchen eingestellt werden. Zur genauen Auflösung lokaler Strömungsphänomene sollen die Untersuchungen in einem geometrisch vergrößerten Maßstab durchgeführt werden. Stromab der Kühlluftbohrungen wird die Oberflächentemperatur mit Hilfe der Infrarotthermographie und Thermoelementen für verschiedene Wärmestromrandbedingungen bestimmt. Aus diesen Temperaturen können dann Wärmeübergangskoeffizient und adiabate Filmkühleffektivität abgeleitet werden. Die Untersuchungen sollen für verschiedene Bohrungsgeometrien durchgeführt werden. Die Rauigkeit der Oberfläche wird mit deterministischen Rauhigkeitselementen auf austauschbaren Folien nachgebildet.
Das Projekt "Modellierung des Post-Dryout-Wärmeübergangs und der Wiederbenetzung an Brennstäben unter SWR- und DWR- relevanten Bedingungen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Fusionstechnologie und Reaktortechnik (IFRT), Bereich Innovative Reaktorsysteme durchgeführt. Für die Sicherheitsanalyse eines Leichtwasserreaktors spielt der Wärmeübergang vom Brennstab auf das Kühlmedium nach der Siedekrise (Post-Dryout, PDO) eine wichtige Rolle. Der Post-Dryout-Wärmeübergang bestimmt u.a. das Versagen des Hüllrohres. Eine Vielzahl von empirischen Modellen zur Beschreibung des PDO-Wärmeübergangs, die in Sicherheitsanalyseprogrammen verwendet werden, weichen jedoch teils erheblich voneinander ab. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist daher die Verbesserung und/oder die Entwicklung der Modellierung des PDO-Wärmeübergangs und der Wiederbenetzung. Dafür muss eine grundlegende experimentelle Datenbasis für die Weiterentwicklung und Validierung vorhandener und/oder neuer Modelle erweitert werden. Neue Temperaturmesstechnik und Visualisierungstechnik ermöglichen die Erfassung des thermischen Ungleichgewichts sowie die Visualisierung des Strömungsmusters und somit ein verbessertes Verständnis der physikalischen Vorgänge des PDO-Wärmeübergangs und der Wiederbenetzung. Die Aufgaben innerhalb des Vorhabens sind: Experimentelle Ermittlung des thermischen Ungleichgewichts, des Strömungsmusters und des Wärmeübergangskoeffizienten im PDO-Bereich und der Wiederbenetzung im stationären Zustand und mit Transienten. Durch optische Visualisierungstechnik werden physikalische und für PDO-Wärmeübergang und Wiederbenetzung relevante Vorgänge erkannt. Die Ergebnisse dienen als Grundlage für die Entwicklung neuer Modelle. Im theoretischen Teil werden Modelle zur Beschreibung des PDO-Wärmeübergangs und der Wiederbenetzung erstellt sowie Skalierungsmodelle entwickelt, mit deren Hilfe die Ergebnisse von Freon R-134a auf Wasser übertragen werden können. Zusammenfassend ergeben sich folgende Zielsetzungen: 1) Experimentelle Untersuchungen zum PDO-Wärmeübergang und der Wiederbenetzung unter stationären und transienten Bedingungen mit Schwerpunkt auf Phasenverteilung, Flüssigkeitstropfentransport und Dampftemperatur 2) Modellentwicklung für den PDO Wärmeübergang, die Wiederbenetzung und der Fluid-zu-Fluid Umrechnung unter Beachtung des thermischen Ungleichgewichts und des Strömungsmusters mit anschließender Validierung 3) Entwicklung eines Wiederbenetzungsmodells für prototypische Brennstäbe.
Das Projekt "3.3.4a: Analyseverfahren moderner Gasturbinenkühlung unter flexibler Last - Experiment" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von RWTH Aachen University, Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen durchgeführt. In diesem Vorhaben sollen qualitativ sehr hochwertige, speziell auf die fokussierte Anwendung hin optimierte Messdaten für konvektionsgekühlte Gasturbinenschaufeln generiert werden. Hierbei wird ein zweigeteilter Ansatz verfolgt. Zum einen werden integrale Versuche an Turbinenschaufeln mit Konvektionskühlung durchgeführt. Diese Schaufeln werden anwendungsnah vom Heißgas umströmt und das Kühlsystem von einem Kühlfluid durchströmt. Zum anderen werden an einem skalierten Kaltluftkanal die Innenströmung und der Wärmeübergang des Kühlsystems abschnittsweise detailliert vermessen und untersucht. Am Heißgaskanal werden Messungen an einem ebenen Gitter durchgeführt, welches mit Heißgas auf dem Temperaturniveau ähnlich der realen Maschine beaufschlagt wird. Des Weiteren wird mit Hilfe eines Durchlauferhitzers die Kühlluft so aufgeheizt, dass die Temperaturerhöhung innerhalb eines Verdichters einer Gasturbine berücksichtigt werden kann. Der Kaltluft-Prüfstand ermöglicht eine detailliertere Beschreibung des inneren Wärmeübergangs und wird hierzu neu aufgebaut. In diesem Kaltluftkanal werden die Kühlkanäle im Rahmen der Ähnlichkeit in größerem Maßstab nachbildet. Dadurch können abschnittweise der innere Wärmeübergangskoeffizient und die Eigenschaften der Strömung bestimmt werden. Diese Ergebnisse dienen sowohl zum tieferen Verständnis der physikalischen Vorgänge in den Kühlkanälen als auch zur Validierung der Wärmeübergangskoeffizienten aus den Auslegungsverfahren.
Das Projekt "Nr. 4.3.6 Thermisches und mechanisches Verhalten von Turbinengehäusen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dresden, Institut für Energietechnik, Professur für thermische Energiemaschinen und -anlagen durchgeführt. Auf Grund ihrer modularen Bauweise weisen Industriedampfturbinen zwischen ihren Leitgitterträgern und dem Außengehäuse dampfgefüllte Seitenräume auf. Das Fluid in diesen Umfangskavitäten mit T- oder L-förmigen Querschnitt wird durch die äußere Hauptströmung (Ringspaltströmung) angetrieben. Die sich ausbildenden mehrdimensionalen Wirbelstrukturen, die durch mögliche Dampfanzapfungen, -entnahmen oder -einkopplungen noch zusätzlich beeinflusst werden können, bestimmen das Wärmeübergangsverhalten zwischen Fluid und Außenwand. Mischkonvektion führt in diesen Bereichen zur ungleichmäßigen Aufheizung des Außengehäuses. Vor allem im instationären sowie im Teillastbetrieb haben die damit verbunden thermischen Gehäuseverformungen starken Einfluss auf die Teilfugendichtheit sowie auf die Radialspiele zwischen Rotor und Stator. Um das thermomechanische Verhalten des Gehäuses bereits im Auslegungsprozess für verschiedene Lastfälle zuverlässig und effektiv mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) vorherzusagen und entsprechend zu optimieren, reicht der Wissensstand zum Wärmeübergang in den Seitenräumen nicht aus. Aus diesem Grund wird in Zusammenarbeit mit der Siemens AG ein druckluftbetriebener, skalierter Versuchsstand entwickelt und am Zentrum für Energietechnik der TU Dresden errichtet. Mit der modularen, größenverstellbaren Versuchsanordnung sind systematische Untersuchungen zum Wärmeübergang in repräsentativen Seitenräumen in Abhängigkeit von deren Geometrie und von den Strömungsverhältnissen (Reynolds-Zahl, Drall) in der Hauptströmung möglich. Für die Messung der lokalen Wärmeübergangskoeffizienten entlang der Innenoberfläche der Seitenraumaußenwand kommen gleichzeitig zwei verschiedene, rückwirkungsarme Messverfahren mit nur sehr geringem Wärmeeintrag in das System zur Anwendung: die stationäre inverse Methode sowie die lokale Übertemperaturmethode. Parallel erfolgt die Nachrechnung ausgewählter Fälle mittels numerischer Strömungssimulation (CFD), mit der die experimentellen Ergebnisse verglichen werden. Neben der weiteren Qualifikation der verwendeten Messmethoden zur Bestimmung von Wärmeübergangkoeffizienten für ähnliche Aufgabenstellungen sowie für industrierelevante Anwendungen besteht das Ziel der Untersuchungen in der Entwicklung allgemein gültiger Ansätze (Aufstellen von NUSSELT-Korrelationen) und damit in der Erweiterung des Wissensstandes für den Wärmeübergang in Seitenräumen von Dampfturbinengehäusen sowie in Kavitäten allgemein. Durch Einpflegen der Ergebnisse als thermische Randbedingungen in die FEM-Berechnung werden die Vorhersagequalität des thermomechanischen Verhaltens im instationären Betrieb und damit die Lastflexibilität von Industriedampfturbinen verbessert und Optimierungspotentiale bei der Gehäusegestaltung aufgezeigt.
Das Projekt "Teilvorhaben: Energetische Optimierung durch Einzelprozesssimulation" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von MAGMA Gießereitechnologie Gesellschaft für Gießerei-, Simulations- und Regeltechnik mbH durchgeführt. Das Gesamtziel von ProGRess ist die Erhöhung der Nutzungseffizienz von Energie und Ressourcen in den Prozessen der gesamten Prozesskette des Aluminiumdruckguss vom Ausgangsmaterial bis hin zum endbearbeiteten Bauteil. Ziel der MAGMA ist es die hohen Wärmeverluste beim Druckgießprozess zu reduzieren. Mit der Simulation des Druckgießprozesses werden entscheidende Maßnahmen zur Erhöhung der Nutzungseffizienz von Energie und Ressourcen ermittelt und überprüft. Die Schwerpunkte der Arbeiten von MAGMA liegen in der Optimierung von Einzelsimulationen des Gießprozesses und der anschließenden Wärmebehandlung. Beim Gießprozess wird zunächst eine vollständige Beschreibung aller Prozessgrößen und -zeiten im Gießzyklus erfolgen. Weiterhin werden versuchsbegleitende Prozessimulationen durchgeführt. Für die Durchführung der Simulation müssen die Wärmeübergangskoeffizienten insbesondere beim Sprühen mittels Einsatz von inverser Optimierung bestimmt werden. Die Prozessführung bei der Wärmebehandlung wird insbesondere hinsichtlich der Entstehung von Eigenspannungen bewertet.
Das Projekt "Experimentelle Untersuchung und Modellierung der Kondensation in Plattenwärmeübertragern" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz Universität Hannover, Institut für Thermodynamik durchgeführt. Plattenwärmeübertrager finden in energie- und verfahrenstechnischen Anlagen zunehmend auch als Verflüssiger Anwendung, obwohl belastbare Modelle zur Auslegung dieser Apparate zumindest in der freien Literatur fehlen. Erst durch Kenntnis der phänomenologischen Zusammenhänge wäre eine energieeffiziente Integration und eine weitere Optimierung dieser Wärmeübertrager möglich. In diesem Vorhaben soll die Kondensation in Plattenwärmeübertragern grundlegend untersucht werden, um durch zu entwickelnde phänomenologische Ansätze deren thermohydraulische Vorausberechnung zu ermöglichen. Im hier beantragten ersten und zweiten Projektjahr stehen experimentelle Untersuchungen im Vordergrund. Mit zwei unterschiedlichen Versuchsständen soll zum einen die Strömungsform und der lokale Wärmeübergangskoeffizient im Plattenspalt, zum anderen der quasi-lokale und der integrale Wärmeübergangskoeffizient sowie der Druckverlust am technischen Apparat ermittelt werden. Durch Verwenden derselben Plattengeometrie und derselben Arbeitsfluide in beiden Versuchsanlagen soll die Übertragbarkeit der Daten gewährleistet werden. Die eigenen Daten, die an Platten mit einem Prägewinkel von 30 und von 60 mit den Arbeitsfluiden R134a, NH3 und Wasser vorgesehen sind, sollen zusammen mit Literaturdaten in einer Datenbank für den nachfolgenden Aufbau der Modelltheorie im 3. und 4. Projektjahr zusammengestellt werden.
Das Projekt "3.3.1: Hocheffiziente Filmkühlung mit optimierter Bohrungsgeometrie" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Thermische Strömungsmaschinen durchgeführt. Kühlungsbohrungen mit neuartigen Formen werden bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit analysiert. Hierzu muss Kühlfilmeffektivität und Wärmeübergangskoeffizient stromab der Bohrung sowie die Durchflusscharakteristik der Bohrung für unterschiedliche Betriebszustände ermittelt werden. Die Untersuchungen finden in einem neuen nahezu atmosphärischen Versuchskanal bei turbinenspezifischen Randbedingungen statt. Die gewonnen Ergebnisse in Form von Kühleffektivitäten, Wärmeübergangskoeffizienten und Durchflusskoeffizienten von neuartigen Kühlluftbohrungen können unmittelbar als Validierungsgrößen für numerische Berechnungsverfahren herangezogen werden. Darüber hinaus dienen die Ergebnisse zur Auslegung von hocheffizienten Kühlmethoden, wie sie in zukünftigen Gasturbinen für die Energieerzeugung notwendig sind. Hocheffiziente Kühlmethoden erlauben die weitere Erhöhung der Prozessparameter und damit eine Anhebung des thermischen Wirkungsgrade, die gleichbedeutend mit einer Absenkung der Kohlendioxidemission ist.
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